ЧПУ

ЧПУ

Числовое программное управление (ЧПУ) — компьютеризованная система управления, управляющая приводами технологического оборудования, включая станочную оснастку.Оборудование с ЧПУ может быть представлено:

• станочным парком, например станками (станки, оборудованные числовым программным управлением, называются станками с ЧПУ ):
• для обработки металлов (например, фрезерные или токарные), дерева, пластмасс,
• для резки листовых заготовок,
• для обработки давлением и т.д.
• приводами асинхронных электродвигателей, использующих векторное управление;
• характерной системой управления современными промышленными роботами.

Несколько станков с ЧПУ могут объединиться в гибкую автоматизированную производственную систему (ГПС), которая в свою очередь может быть дополнена гибким автоматизированным участком (ГАУ) и войти в состав автоматической линии (производства масштаба участка либо цеха), ГАП.

История

Сменяемые программы, нанесённые на перфокарты с помощью двоичного кода, использовались уже в Жаккардовом ткацком станке, созданом в 1801 году.

Изобретателем первого станка с числовым (программным) управлением (англ. Numerical Control, NC) является Джон Пэрсонс (John T. Parsons), работавший инженером в компании своего отца Parsons Inc, выпускавшей в конце Второй мировой войны пропеллеры для вертолетов.Он впервые предложил использовать для обработки пропеллеров станок, работающий по программе, вводимой с перфокарт.

В 1949 году ВВС США профинансировали Parsons Inc разработку станка для контурного фрезерования сложных по форме деталей авиационной техники. Однако, компания не смогла самостоятельно выполнить работы и обратилась за помощью в лабораторию сервомеханики Массачусетского технологического института (MIT).Сотрудничество Parsons Inc с MIT продолжалось до 1950 года.В 1950 году MIT приобрел компанию по производству фрезерных станков Hydro-Tel и отказался от сотрудничества с Parsons Inc, заключив самостоятельный контракт с ВВС США на создание фрезерного станка с программным управлением.

В сентябре 1952 года станок был впервые продемонстрирован публике – про него была напечатана статья в журнале Scientific American.Станок управлялся с помощью перфоленты.

Первый станок с ЧПУ отличался особой сложностью и не мог быть использован в производственных условиях.Первое серийное устройство ЧПУ было создано компанией Bendix Corp. в 1954 году и с 1955 года стало устанавливаться на станки.Широкое внедрение станков с ЧПУ шло медленно.Предприниматели с недоверием относились к новой технике.Министерство обороны США вынуждено было на свои средства изготовить 120 станков с ЧПУ, чтобы передать их в аренду частным компаниям.

Первыми отечественными станками с ЧПУ промышленного применения являются токарно-винторезный станок 1К62ПУ и токарно-карусельный 1541П.Эти станки были созданы в первой половине 1960-х годов.Станки работали совместно с управляющими системами типа ПРС-3К и другими.Затем были разработаны вертикально-фрезерные станки с ЧПУ 6Н13 с системой управления «Контур-ЗП».В последующие годы для токарных станков наибольшее распространение получили системы ЧПУ отечественного производства 2Р22 и Электроника НЦ-31.

Числовое программное управление также характерно для систем управления современными промышленными роботами.

Аббревиатура ЧПУ соответствует двум англоязычным — NC и CNC, — отражающим эволюцию развития систем управления оборудованием. Системы типа NC (англ. Numerical control), появившиеся первыми, предусматривали использование жестко заданных схем управления обработкой — например, задание программы с помощью штекеров или переключателей, хранение программ на внешних носителях.Каких-либо устройств оперативного хранения данных, управляющих процессоров не предусматривалось. Более современные системы ЧПУ, называемые CNC (англ. Computer numerical control) — системы управления позволяющие использовать для модификации существующих/написания новых программ программные средства.Базой для построения CNC служат современный (микро)контроллер или (микро)процессор:

• микроконтроллер,
• контроллер с программируемой логикой,
• управляющий компьютер на базе микропроцессора.

Возможна реализация модели с централизованным автоматизированным рабочим местом (например, ABB Robot Studio, Microsoft Robotics Developer Studio) с последующей загрузкой программы посредством передачи по промышленной сети.

Структурно, в состав ЧПУ входят:

• пульт оператора (или консоль ввода/вывода), позволяющий вводить управляющую программу, задавать режимы работы; выполнить операцию вручную.Как правило, внутри шкафа пульта современной компактной ЧПУ, размещаются её остальные части;
• дисплей (или операторская панель) - для визуального контроля режимов работы и редактируемой управляющей программы/данных; может быть реализован в виде отдельного устройства для дистанционного управления оборудованием;
• контроллер - компьютеризированное устройство, решающее задачи формирования траектории движения режущего инструмента, технологических команд управления устройствами автоматики станка, общим управлением, редактирования управляющих программ, диагностики и вспомогательных расчетов (траектории движения режущего инструмента, режимов резания);
• ПЗУ - память предназначенная для долговременного хранения (годы и десятки лет) системных программ и констант; информация из ПЗУ может только считываться;
• ОЗУ - память предназначенная для временного хранения управляющих программы и системных программ, используемых в данный момент.

В роли контроллера выступает промышленный контроллер, как то: микропроцессор, на котором построена встраиваемая система; программируемый логический контроллер либо более сложное устройство управления — промышленный компьютер.

Важной характеристикой CNC-контроллера является количество осей (каналов), которые он способен синхронизировать (управлять) — для этого требуется высокая производительность и соответствующее ПО.

В качестве исполнительных механизмов используются сервоприводы, шаговые двигатели.

Для передачи данных между исполнительным механизмом и системой управления станком обычно используется промышленная сеть (например, CAN, Profibus, Industrial Ethernet).

Программное обеспечение

После того как составлена управляющая программа, оператор при помощи программатора вводит ее в контроллер.Команды управляющей программы размещаются в ОЗУ.В процессе создания или после ввода управляющей программы оператор (в данном аспекте выполняющий роль программиста) может отредактировать ее, включив в работу системную программу редактора и выводя на дисплей всю или нужные части управляющей программы и внося в них требуемые изменения.При работе в режиме изготовления детали управляющая программа кадр за кадром поступает на выполнение.В соответствии с командами управляющей программы контроллер вызывает из ПЗУ соответствующие системные подпрограммы, которые заставляют работать подключенное к ЧПУ оборудование в требуемом режиме — результаты работы контроллера в виде электрических сигналов поступают на исполнительное устройство — приводы подач, либо на устройства управления автоматикой станка.

Управляющая система считывает инструкции специализированного языка программирования (например, G-код) программы, который затем интерпретатором системы ЧПУ переводится из входного языка в команды управления главным приводом, приводами подач, контроллерами управления узлов станка (например, включить/выключить подачу охлаждающей эмульсии).

Разработка управляющих программ в настоящее время выполняется с использованием специальных модулей для систем автоматизированного проектирования (САПР) или отдельных систем автоматизированного программирования (CAM), которые по электронной модели генерируют программу обработки.

Для определения необходимой траектории движения рабочего органа в целом (инструмента/заготовки) в соответствии с управляющей программой используется интерполятор, рассчитывающий положение промежуточных точек траектории по заданным в программе конечным.

В системе управления, кроме самой программы, присутствуют данные других форматов и назначения.Как минимум, это машинные данные и данные пользователя, специфически привязанные к конкретной системе управления либо к определенной серии (линейке) однотипных моделей систем управления.

Программа для станка (оборудования) с ЧПУ может быть загружена с внешних носителей например, магнитной ленты, перфорированной бумажной ленты (перфоленты), дискеты или флеш-накопителей в собственную память либо временно, до выключения питания — в оперативную память, либо постоянно — в ПЗУ, карту памяти или другой накопитель: жёсткий диск или твердотельный накопитель.Помимо этого, современное оборудование подключается к централизованым системам управления посредством заводских (цеховых) сетей связи.

Наиболее распространенный язык программирования ЧПУ для металлорежущего оборудования описан документом ISO 6983 Международного комитета по стандартам и называется «G-код».В отдельных случаях — например, системы управления гравировальными станками — язык управления принципиально отличается от стандарта.Для простых задач, например, раскроя плоских заготовок, система ЧПУ в качестве входной информации может использовать текстовый файл в формате обмена данными — например DXF или HPGL.